Antireflecting interlayers to increase transmission through thin metal films in spectroelectrochemical experiments
Final Report Abstract
Während Metalle in vielen Fällen als Spiegel verwendet werden, ist die hohe Reflektivität der Metalle in anderen Fällen störend. Wenn man z.B. unter Nutzung charakteristischer Lichtabsorption chemische Reaktionen an Grenzflächen untersuchen möchte, muss man das Licht zunächst zur zu untersuchenden Grenzfläche transportieren. Solche spektroskopischen Untersuchungen sind z.B. für das Verständnis katalytischer und elektrochemischer Reaktion essentiell. So hat man zum Beispiel für Untersuchungen an der Fest/Flüssig-Grenzfläche die Möglichkeit, das Licht durch die Lösung an die Grenzfläche zu führen - wo es allerdings bereits mit gelösten Molekülen wechselwirkt. Licht durch den Festkörper an die Fest/Flüssig-Grenzfläche zu führen ist an transparenten Festkörpern leicht möglich, allerdings für Metalle schwierig. Im Falle von Metallen können nur dünne Schichten präpariert werden. Dieses Projekt hat sich damit beschäftigt, durch geschickte Präparation von Schichtsystemen von einer Metall/Flüssig-Grenzfläche reflektiertes Infrarot-Licht effizient nutzen zu können, um Adsorptionsprozesse an dieser Grenzfläche zu untersuchen. Als Metall wurde Gold gewählt, einerseits wegen seiner Bedeutung als Elektrodenmaterial in der Elektrochemie, andererseits weil die optischen Eigenschaften von Gold im Infraroten eine besondere Herausforderung darstellen. Ein wesentlicher Teil des Projekts beschäftigte sich damit, die optischen Eigenschaften von Halbleiter/Metall-Schichtsystemen im infraroten Spektralbereich zu untersuchen. Durch Computersimulationen auf Basis der Maxwell-Gleichungen konnte gezeigt werden, dass eine ca. 1 µm dicke Germanium-Schicht auf einem infrarot transparenten Substrat mit niedrigem Brechungsindex optimal dazu geeignet ist, die Intensität an Licht, die in ein Metall eindringt, zu erhöhen - und damit bildlich gesprochen mit Licht die Rückseite eines Spiegels untersuchen zu können. Durch Aufdampfverfahren wurden Schichten hergestellt, und die optischen Eigenschaften in spektroskopischen Experimenten mit Simulationen vergleichen, wobei mit geringen Abweichungen die Simulationsergebnisse im Wesentlichen bestätigt werden konnten. Als erste Anwendung des so hergestellten Systems auf grenzflächenchemische Fragen wurde die Adsorption von Thiolen aus organischen Lösungsmitteln an Gold untersucht - Moleküle, die sehr häuflg für Oberflächenmodiflkationen in Sensoren eingesetzt werden. Mit den hier hergestellten Schichtsystemen konnte die Anlagerung der Moleküle an die Grenzfläche in Lösung verfolgt werden, sowie die Struktur der Schichten auf derselben Oberfläche nach Entfernen der Lösung charakterisiert werden. Interessant ist hierbei vor allem, dass der Schritt des Herausnehmens aus der Lösung für Ordnungsphänomene entscheidend ist. In der Zukunft sollen Systeme wie das im Rahmen dieses Projekts entwickelte zur Lösung weiterer grenzflächenchemischer und elektrochemischer Fragen eingesetzt werden.
Publications
- "Antireflective Layers on Thin Metal Films for Mid-Infrared Internal Reflection Spectroscopy", in Optical Interference Coatings, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2010), paper ThE5
Martina Reithmeier, Andreas Erbe
- "Dielectric interlayers for increasing the transparency of metal films for mid-infrared attenuated total reflection spectroscopy", Physical Chemistry Chemical Physics, 10 (2010) 14798-14803
Martina Reithmeier, Andreas Erbe
- "Antireflecting interlayers for enhancing transparency of metal layers for internal reflection infrared spectroscopy", Fakultät für Chemie und Biochemie, Ruhr-Universität Bochum, 2011
Martina Reithmeier
- "Application of thin-film interference coatings in infrared reflection spectroscopy of organic samples in contact with thin metal films", Applied Optics 50 (2011) C301-C308
Martina Reithmeier, Andreas Erbe
